[發明專利]一種一次鋰硫電池電解液和鋰硫電池

在審

• 申請號: 201810620583.6
• 申請日: 2018-06-15
• 公開（公告）號: CN108832149A
• 公開（公告）日: 2018-11-16
• 發明（設計）人: 黃飛飛;徐時清
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: H01M6/16
• 分類號: H01M6/16
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 杜立

本發明公開了一種一次鋰硫電池，所述鋰硫電池包括硫正極、高濃度酯類電解液和其它必要的部分；所述的酯類溶劑包括碳酸酯、羧酸酯、硫酸酯和磷酸酯中的至少一種；鋰鹽在碳酸酯類溶劑中的濃度高于2mol/L。本發明采用高濃度酯類電解液的首次放電比容量高達1612mAh/g，已經接近于理論容量。并且，電池放電過程中多硫化鋰的產生被有效抑制，不會發生穿梭效應，有效提高了一次鋰硫電池的存儲性能。

技術領域

本發明涉及一種一次鋰硫電池，特別涉及一種用于一次鋰硫電池的電解液。

背景技術

鋰一次電池在軍工、醫療和戶外等領域具有廣泛的應用前景和巨大的市場。經過幾十年的發展，現在逐步提出了Li/MnO₂、Li/FeS₂、Li/CF_x、LiAg₂V₄O₁₁等一次電池。但是，隨著社會的發進步和發展，人們對鋰一次電池提出了更高的要求，包括高的比能量、好的安全性、低廉的價格、高的倍率性能和低的自放電率等。為進一步提高一次電池的比能量，具有1675mAh/g超高理論比容量的一次鋰硫電池被提出。但是，由于一次鋰硫電池放電中間產物會與酯類發生反應，所以現在的一次鋰硫電池采用醚類電解液。這樣，雖然一次鋰硫電池雖然能夠工作，卻存在諸多問題。

首先，醚類溶劑沸點比較低，容易造成電池脹氣而引起電池的安全性問題；第二，一次鋰硫電池放電中間產物多硫化鋰會溶解在醚類電解液中，溶解在電解液中的多硫化鋰會遷移至負極并與負極發生腐蝕反應，造成電池存儲性能較差，自放電嚴重；第三，雖然硫的理論比容量為1675mAh/g，但是由于放電產物Li₂S的絕緣性和電池中復雜的歧化反應，造成鋰硫電池活性物質利用率比較低，其放電容量很難超過大多低于1300mAh/g。總之，由于采用醚類電解液，一次鋰硫電池存在安全性差、自放電高、活性物質利用率低等問題，阻礙了一次鋰硫電池的大規模應用。因此，尋找新的電解液體系，改善一次鋰硫電池的安全性、存儲性能和活性物質利用率，是推動鋰硫電池大規模應用的重要措施。

發明內容

為了解決現有技術中存在的上述技術問題，本發明提出了采用高濃度的酯類電解液作為一次鋰硫電池電解液。

鋰硫電池放電中間產物多硫化鋰會與酯類溶劑發生反應，造成電解液與活性物質的同時消耗，因此鋰硫電池不能直接采用酯類作為電解液溶劑。但是，本發明提出采用高濃度鋰鹽的酯類電解液作為一次鋰硫電池電解液。高濃度電解液中，所有的溶劑都參與了鋰離子的溶劑化，一方面降低了電解液的溶解性，改變了鋰硫電池的放電反應機理，放電過程中S₈分子直接與鋰離子反應生成低階硫化鋰而少有中間產物多硫化鋰生成。另一方面，高濃度電解液中溶劑分子參與了鋰離子的溶劑化，溶劑分子的反應活性降低，進而多硫化鋰與酯類之間的反應被有效抑制。第三，高濃度電解液放電過程中，硫正極與電解液之間會形成一層致密的鈍化膜，防止后續反應過程中活性物質與電解液之間的副反應，保證了電池具有良好的存儲性能。總之，高濃度酯類電解液中，多硫化鋰的產生被有效抑制，同時多硫化鋰與酯類溶劑之間的反應被有效抑制，因而高濃度酯類電解液可以用于鋰硫一次電池。

同時，采用高濃度酯類電解液還為一次鋰硫電池帶來其它優點。首先，酯類溶劑的沸點一般比醚類高，同時高濃度電解液中酯類溶劑參與了鋰離子的溶劑化，降低了酯類的揮發性，因而電解液的可燃性降低，有效提高了電池的安全性；第二，采用高濃度酯類電解液的鋰硫電池首次放電過程中基本不產生多硫化鋰，不存在多硫化鋰在電解液中的遷移造成的穿梭效應，因而明顯提升了電池的存儲性能，降低電池的自放電率；第三，由于電池放電機理發生變化，鋰硫電池活性物質利用率有效提升。第四，高濃度酯類電解液用于鋰硫電池，使得其它具有特殊功能的酯類添加劑能夠應用于鋰硫電池，這為鋰硫電池添加劑的選擇提供了更大的選擇空間。

本發明所述的化合物縮寫如下：